Acc. Chem. Res.綜述：超分子水凝膠的手性調控及其生物學效應研究研究

【背景介紹】

手性現象普遍存在于生物和自然界的分子(如L-氨基酸和D-糖)、超分子、微納米(如DNA、RNA和蛋白質)水平，以及宏觀系統（如海螺和植物）。從近半個世紀以來，分子手性在藥物設計中的重要性已經被意識到：一種對映體對疾病治療是有效和安全的，另一種對映體則有可能是無效，甚至有毒的。因為手性分子的這些生物學效應，分子手性一直被認為是生物材料發展的關鍵因素。

與分子手性相比，超分子手性的重要性及其潛在的生物功能尚未得到充分探討。然而，由分子基元不對稱空間排列而產生的超分子手性(例如DNA中的雙螺旋結構)則在生物體內參與了許多重要生理過程。受這些高度復雜的超分子手性結構及其相應的生物學事件的啟發，化學、材料科學和生物學的一個挑戰和潛在的研究方向是構建具有手性結構可調的超分子組裝體。由超分子組裝體構建的水凝膠因其理化性能與天然ECM十分類似，是一類很有潛力的生物材料。特別是，與傳統聚合物水凝膠不同，超分子水凝膠中分子基元通過非共價鍵（如氫鍵、π-π堆積、范德華力或疏水作用）相互作用，由于非共價的形成具有可逆性，因此超分子水凝膠對外場刺激(如溫度、溶劑、pH、酶和光)和生化信號有很好的刺激響應，并能為細胞生長提供一個動態的環境。基于此，由手性組裝體構筑的超分子水凝為模擬生物系統的結構和功能提供了一個良好選擇，這對于理解超分子手性在生物學中的重要作用具有十分重要的意義。

【成果簡介】

最近，上海交通大學馮傳良教授課題組在Acc. Chem. Res期刊上發表了題為“Supramolecular Hydrogels with Tunable Chirality for Promising Biomedical Applications”的自我綜述，介紹了近年來課題組在手性超分子水凝領域的研究進展和結果，并對該領域發展做出展望。在本文中，作者首先介紹了與超分子手性有關的基本概念以及超分子手性在生物系統中的重要性。接著介紹了如何利用外場刺激（如溶劑，溫度，pH，金屬離子等）調控超分子組裝體手性結構。第三部分介紹了超分子手性誘導的各種生物學現象，例如細胞粘附，增殖，分化，凋亡，蛋白質吸附，藥物遞送和抗菌粘附等。最后介紹了這個快速發展領域的挑戰和未來發展的前景。

【圖文解讀】

1、引言

圖一、由分子基元組裝構筑的手性超分子水凝膠原理圖

2、超分子水凝膠中的手性調控

2.1、溶劑

圖二、通過不同外常刺激的調控超分子手性結構的示意圖

（a）溶劑誘導的超分子手性反轉；

（b）單個手性分子自組裝成螺旋納米纖維，在溫度從90℃降至20℃時形成手性水凝膠；

（c）右手(P)螺旋纖維形成于pH7.0以下的溶液中，同時，左手(M)螺旋纖維形成于pH7.0以上的溶液中；

（d）與不同金屬離子共組裝的L-氨基酸衍生物(LPF和LPPG)顯示出不同的手性納米結構。

2.2、溫度

2.3、pH值

2.4、金屬離子

2.5、其它因素

3、超分子水凝膠的生物醫學應用

3.1、細胞粘附和增殖

圖三、用苯丙氨酸基凝膠的兩個對映體(LPFEG和DPFEG)制備了用于三維(3D)細胞培養的手性水凝膠體系

（a）手性超分子水凝膠中三維細胞培養的圖解；

（b）左柱：培養3天后L(D)PFEG水凝膠中HUVECs的熒光顯微鏡圖像。活細胞是綠色的，死細胞是紅色的。右柱：手性水凝膠中不同細胞粘附和增殖的示意圖；

（c）在L(D)PFEG水凝膠中培養HUVECs的細胞增殖統計，直到第9天；

（d）BA、BE和BP的分子結構；

（e）分子手性和超分子手性對細胞粘附的協同影響作用。

3.2、細胞分化

圖四、通過混合細胞懸液和L(D)PFEG凝膠基元的二甲基亞砜(DMSO)溶液，間充質干細胞(MSCs)注入三維水凝膠中

（a）納米纖維手性結構誘導干細胞分化的原理圖；

（b）RT-qPCR量化表明，在LPFEG水凝膠(簡稱L)中，成骨標記物(RUNX2, OPN, 和BMP2)的上調最大，而在DPFEG水凝膠(簡稱D)中，（PPARG 和ADN)上調最大；

（c）具有代表性的μCT圖像：MSC/水凝膠植入后大鼠顱缺損中的骨再生；

（d）新形成骨組織的總體骨體積評價；

（e）新形成骨組織的骨密度(BMD)評價；

（f）RT-qPCR結果提示Itgα5β1粘附抑制導致FAK、ERK和YAP的下調；

（g）納米纖維手性誘導的細胞分化和基因表達。

3.3、細胞凋亡

圖五、由L-或D-肽衍生物自組裝的酶促手性納米纖維，具有誘導癌細胞凋亡的能力

（a）組裝基元前驅體(1P)和組裝基元單體（1）的分子結構；

（b）酶誘導構建的納米纖維靶向作用于線粒體并觸發癌細胞凋亡的原理圖。

3.4、蛋白質吸收

圖六、使用纖維連接蛋白(FN)作為蛋白質模型進行分子動態(MD)模擬

（a）L(D)PFEG 和FnIII9-10蛋白結合的分子動力學模擬；

（b）平衡狀態下L(D)PFEG 和FnIII9-10的結合結構；

（c）LPFEG與FnIII9-10之間的結合能低于DPFEG與FNIII9-10之間的結合能；

（d）石英晶體微天平(QCM)實驗表征了人血清白蛋白(HSA)與DPLG和LPLG組裝之間的相互作用；

（e）HSA在不同手性的凝膠表面上顯示出不同的蛋白質粘附。

3.5、抗菌粘附

3.6、藥物釋放

圖七、在體內表現出藥物的控制釋放

（a）由d-氨基酸（藍色）和甲氧萘丙酸(NPX，紅色)組成的凝膠基元化學結構；

（b）(1) Npx-ff,(2) Npx-ffy, (3) Npx-ffk, (4) Npx-ffky, (5) ffk(Npx), and (6) ffk(Npx)y水凝膠內部的TEM圖像。

3.7、超分子手性引起的圓極化發光（CPL）

圖八、通過共組裝來調節CPL的手性

（a）基于LPF和香豆素衍生物(G)共組裝的具有CPL特性的手性結構，可通過改變香豆素衍生物或將金屬離子加入共組裝來調節CPL；

（b）LPF/G1的CPL光譜(激發波長：320nm)；

（c）LPF和1NA/2/NA共組裝的示意圖；

（d）LPF-1NA/2NA的CPL光譜(激發波長：325nm)。

【小結】

盡管手性超分子水凝膠取得了重大進展，但仍有一些挑戰有待解決。首先，超分子凝膠基元的分子設計還處于早期階段，因為手性組裝的機理尚未清楚地揭示，很難準確預測分子的組裝模式和超分子結構的手性。特別是，在原始凝膠上修飾生物活性基團，往往擾亂原有分子間相互作用的平衡，導致超分子組裝結構的解體。為了更好地探索手性水凝膠，利用分子動力學(MD)模擬和時間依賴密度泛函理論(TDDFT)計算預測組裝體的超分子手性是一個很有前途的方向。其中，對超螺旋結構的預測更具挑戰性，因為超螺旋的形成是更為復雜，包括一維(1D)手性纖維的組裝和從低級結構到高階螺旋結構的轉變。其次，較弱的力學性能是手性超分子水凝膠需要解決的另一個關鍵問題，這限制了它們的進一步實際應用（例如注射組織再生、模擬軟組織和體外長期細胞培養）。根據需要調整這些手性水凝膠的力學性能和降解時間是非常重要的。此外，將細胞封裝到三維手性水凝膠中進行三維細胞培養仍然是一個挑戰。雖然一些分子可以在超分子尺度上自組裝成手性纖維，但要形成由手性纖維支架組成的宏觀手性水凝膠仍較為困難。

進一步的發展不僅需要著眼與手性水凝膠的構筑，還需要關注手性結構的原位調控，這為動態研究細胞外手性微環境的生物學效應提供了一種可能的途徑。它可以揭示超分子螺旋結構(例如，雙螺旋DNA和α-螺旋)在生命系統中的生理功能。手性效應是生物系統的基礎，因此超分子手性水凝膠發展將為手性生物材料在細胞培養、組織工程和再生醫學（如干細胞定向分化）中的應用開辟新的機會。

該論文第一作者為上海交通大學助理教授竇曉秋，共同第一作者為上海交通大學博士生Nabila Mehwish。馮傳良教授為通訊作者，上海交通大學為論文唯一單位。（馮傳良教授課題組長期從事手性水凝膠的構筑、調控及生物學效應研究，發表的相關論文有：Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7789.; ACS Nano 2015, 9, 10664,; Angew. Chem. Int. 2016, 55, 2411.;Chem. Sci. 2017, 8, 1769.; Adv. Mater. 2017, 29, 1604062.; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 5655.; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6475.;Chem. Eur. J. 2018, 24, 1509.; Adv. Mater. 2019, 31, 1900582.;ACS Nano 2019, 13, 7281.;ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 38568. Nanoscale 2019, 11, 14210.等）?

文獻鏈接：Supramolecular Hydrogels with Tunable Chirality for Promising Biomedical Applications（Acc. Chem. Res. 2020, DOI:https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00012）

本文由我亦是行人編譯。

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